Što nas mravi mogu poučiti o mozgu, raku i internetu

Ekologinja Deborah Gordon proučava mrave gdje god da ih nađe -- u pustinji, u tropskim krajevima, u kuhinji... U fascinantnom govoru, objašnjava svoju opsesiju insektima koje bismo većina nas jednostavno zgnječili čim bismo ih ugledali. Ona tvrdi da život mrava pruža koristan model za učenje o mnogim temama, uključujući bolesti, tehnologiju i ljudski mozak.

Ja proučavam mrave

u pustinji, u tropskoj šumi

i u mojoj kuhinji,

i na brežuljcima Silicijske Doline gdje živim.

Nedavno sam shvatila da mravi

drugačije koriste interakciju

u različitim okruženjima,

i to me navelo na razmišljanje
da bismo iz toga mogli naučiti

o drugim sustavima,

kao što su mozak ili podatkovne mreže koje proizvodimo,

pa čak i rak.

Ono što je svim tim sustavima zajedničko

jest da ne posjeduju središnju kontrolu.

Kolonija mrava sastoji se od sterilnih ženki radilica --

to su mravi koje vidite da hodaju uokolo --

i onda jedna ili više ženki za parenje

koje samo polažu jajašca.

One ne daju nikakve upute.

Iako se nazivaju kraljicama,

one nikome ne govore što da radi.

Dakle u mravljoj koloniji, nitko nije glavni,

i svi slični sustavi bez središnje kontrole

su podešeni koristeći vrlo jednostavne interakcije.

Mravi međusobno komuniciraju koristeći njuh.

Njuše pomoću svojih antena,

i komuniciraju pomoću svojih antena,

stoga kad jedan mrav dotakne drugog svojom antenom,

zna, na primjer, je li drugi mrav

iz istog gnijezda

i što taj drugi mrav radi.

Ovdje vidite mnogo mrava koji idu uokolo

i komuniciraju u lab-areni

koja je povezana cijevima s druge dvije arene.

Kad jedan mrav sretne drugoga,

nije bitno kojeg mrava sretne,

i oni zapravo ne emitiraju

nikakvu vrstu kompliciranih signala ili poruka.

Sve što je mravu bitno jest stopa

kojom susreće drugog mrava.

I sve te interakcije, zajedno,

tvore mrežu.

To je mreža mrava

koje ste upravo vidjeli da se kreću arenom,

ta se mreža stalno mijenja

i određuje vrste ponašanja kolonije,

kao što je npr. hoće li se svi mravi sakriti u gnijezdo,

ili koliko će ih ići van u potragu za hranom.

Mozak zapravo radi na istom principu,

ali ono što je kod mrava super jest

to što se cijela mreža može vidjeti u tijeku događanja.

Postoji više od 12 tisuća mrava,

u svakom zamislivom okruženju,

i koriste interakciju drugačije

kako bi svladali preprjeke iz okruženja.

Jedan značajan izazov

koji svaki sustav mora riješiti

jesu operativni troškovi, tj. ono što je potrebno

da bi sustav funkcionirao.

Drugi značajan izazov su resursi,

pronalazak i skupljanje resursa.

U pustinji su operativni troškovi visoki

jer vlada oskudica vode,

i mravi sjemenojedi koje proučavam u pustinji

moraju potrošiti vodu da bi je dobili.

Stoga mrav koji traga za hranom,

tražeći sjemenje po žarkom suncu,

gubi vodu u zrak.

Ali kolonija dobiva svoju vodu

metabolizirajući masti iz sjemenja

koje jedu.

Stoga u tom okruženju, interakcija se koristi

kako bi se aktivirala potraga za hranom.

Tragač za hranom ne ide van ukoliko

ne dobije dovoljan broj informacija od povratnika,

ono što vidite su mravi koji se vraćaju iz potrage za hranom

ulaze u tunel, u gnijezdo,

susrećući se s onima što kreću u potragu za hranom.

Za mravlju koloniju to ima smisla,

jer što je više hrane tamo vani,

to je brže tragači nalaze,

brže se vraćaju,

stoga više tragača opet šalju van,

Sustav radi da ostane zaustavljen,

osim ako se ne dogodi nešto dobro.

Dakle interakcija funkcionira na način da pokrene tragače.

Proučavali smo
evoluciju ovog sustava.

Prije svega, postoji varijacija.

Ispada da su kolonije različite.

Za sušnih dana, neke kolonije tragaju za hranom manje,

stoga se kolonije razlikuju po tome kako

upravljaju tim kompenziranjem

između trošenja vode za traženje sjemenja

i dobivanja vode natrag kroz sjemenje.

I pokušavamo shvatiti zašto

neke kolonije tragaju manje od ostalih

razmišljajući o mravima kao neuronima,

koristeći modele iz neuroznanosti.

Stoga baš kao što neuron uključuje stimulaciju

od drugog neurona kako bi odlučio treba li odaslati signal

tako i mrav dobiva stimulaciju od drugih mrava

kako bi odlučio treba li ići tragati za hranom.

Ono što tražimo jest postoji li možda

mala razlika između kolonija

u tome koliko interakcije svaki mrav treba

kako bi ga se potaklo na to da krene u potragu za hranom,

jer bi kolonija tad to radila manje.

I to otvara još jedno analogno pitanje o mozgu.

Razgovaramo o mozgu,

ali naravno da je svaki mozak ponešto drugačiji,

i možda postoje pojedinci

ili neka stanja

u kojem su električna svojstva neurona takva

da im je potrebno više stimulansa da se pokrenu,

i to bi vodilo razlikama u funkcijama mozga.

Stoga ako ćemo postavljati evolucijska pitanja,

trebamo znati više o reproduktivnom uspjehu.

Ovo je mapa stranice studije

gdje sam pratila populaciju

mravlje kolonije sakupljača punih 28 godina,

što je otprilike jednako vremenu trajanja kolonije.

Svaki simbol je kolonija,

a veličina simbola predstavlja
koliko potomaka ima,

jer možemo upotrijebiti genetske varijacije

kako bismo uparili roditelja i potomka kolonije,

što će reći, da shvatimo koje od kolonija

su se razvile od kćeri kraljice

proizvedene od kojih roditeljskih kolonija.

I to je meni zadivljujuće, nakon svih ovih godina,

saznati, na primjer, da kolonija 154,

koju poznajem dobro već godinama,

je pra-prabaka.

Ovo je njena kći kolonija,

ovdje vidimo unuku koloniju,

a ovo su njene praunuke.

I čineći to, naučila sam

da potomci kolonija liče svojim roditeljskim kolonijama

u smislu odluka o tome koji su dani toliko vreli

da neće ići u potragu za hranom,

i potomci roditeljske kolonije

žive toliko daleko jedni od drugih da se mravi nikad ne sretnu,

stoga kolonija potomaka

nije to mogla naučiti od svoje roditeljske kolonije.

Pa je naš sljedeći korak istražiti

genetske varijacije
koje stoje iza tih sličnosti.

Tada sam mogla pitati, u redu, tko to radi bolje?

Tijekom vremena proučavanja,

a posebice unazad deset godina,

bilo je vrlo ozbiljnih suša

u jugozapadnom SAD-u,

i ispada da
kolonije koje konzerviraju vodu,

koje ostaju unutra kad je jako vruće vani,

žrtvujući da skupe što je više moguće hrane

su one koje kasnije imaju više kolonija potomaka.

Stoga sam cijelo ovo vrijeme mislila da je kolonija 154

gubitnička, jer za vrlo sušnih dana,

jedva bi nekolicina mravi išla u potragu za hranom

dok bi ostale kolonije bile vani

tražeći i nabavljajući mnogo hrane,

međutim, kolonija 154 je vrlo uspješna.

Ona je matrijarhat.

Ona je jedna od rijetkih prabaka ovdje.

Koliko ja znam, ovo je prvi put

da smo bili u mogućnosti pratiti

evoluciju kolektivnog ponašanja

u prirodnoj populaciji životinja

i saznati što je zapravo najefikasnije.

Sada, internet koristi jedan algoritam

kako bi regulirao protok podataka

koji je vrlo sličan onome

koji koristi mrav sakupljač kako bi regulirao

protok tragača za hranom.

I pogodite kako nazivamo tu analogiju?

Anternet dolazi. (ant=mrav)

(Pljesak)

Stoga podaci ne odlaze s računala

ukoliko ne dobiju signal da postoji dovoljna propusnost

za nesmetano kolanje.

U začecima interneta,

kad su operativni troškovi bili vrlo visoki

i kad je bilo vrlo važno ne izgubiti nikakav podatak,

sustav je bio podešen za interakcije

na način da aktivira protok podataka.

Zanimljivo je da mravi koriste algoritam

koji je toliko sličan onome koji smo mi nedavno izumili,

a to je tek jedan od mnoštva mravljih algoritama

koje poznajemo,

a mravi su imali 130 milijuna godina

da razviju mnogo dobrih,

i mislim da je vrlo izgledno

da će neki od ostalih 12 tisuća vrsta

imati vrlo zanimljive algoritme

za podatkovne mreže

kojih se mi još nismo ni sjetili.

Dakle, što se događa kad su operativni troškovi niski?

Operativni troškovi su niski u tropskim područjima,

jer je tamo vrlo vlažno, pa je mravima lako

hodati uokolo.

Ali u tropskim područjima mrava je toliko puno

i velika je raznolikost

da postoji velika konkurencija.

Koji god resurs koristi jedna vrsta,

vjerojatno je da će isti taj resurs koristiti druga vrsta

u isto vrijeme.

Stoga u tom okruženju , interakcija se koristi

u obrnutom smjeru.

Sustav radi

dok se ne dogodi nešto loše

i jedna vrsta koju proučavam kruži

u drveću mrava tragača

idući od gnijezda do resursa hrane i natrag,

i tako u krug,

dok se nešto loše ne dogodi,

kao interakcija

s mravima druge vrste.

Evo primjera mravljeg osiguranja

U sredini je mrav

koji zatvara ulaz u gnijezdo svojom glavom

kao odgovor na interakciju s drugom vrstom

To su ovi maleni što trčkaraju

sa svojim trbuhom podignutim u zrak.

No čim prijetnja prođe,

ulaz se ponovno otvara,

i možda postoje situacije

u računalnoj sigurnosti

gdje su operativni troškovi dovoljno niski

pa bismo privremeno zablokirali prilaz

kao odgovor na trenutnu prijetnju,

i onda ga opet otvorili,

umjesto da gradimo

trajni vatrozid ili utvrdu.

Stoga još jedan okolišni izazov

s kojim se svi sustavi moraju pozabaviti

su resursi – tj. njihovo pronalaženje i skupljanje.

I kako bi to učinili, mravi rješavaju problem

kolektivne pretrage,

a to je problem od našeg najvećeg zanimanja

upravo sada u robotici,

jer razumijemo da,

umjesto da šaljemo pojedinačnog,

sofisticiranog, skupog robota

da istražuje drugi planet

ili provjerava zgradu u plamenu,

bilo bi mnogo učinkovitije

nabaviti skupinu jeftinih robota

koji izmjenjuju samo minimum informacija,

a to je način na koji to rade mravi.

Invazivni argentinski mrav

radi proširive mreže za istraživanje.

Oni su dobri u rješavanju glavnog problema

kolektivne pretrage,

što je zapravo razmjena između

vrlo temeljite pretrage

i one koja obuhvaća veća područja.

Ono što oni rade jest,

kad ima puno mravi na malom mjestu,

oni mogu tražiti vrlo temeljito

jer će uvijek biti drugi mrav u blizini

koji će također tražiti,

međutim kad ima malo mrava

na velikoj površini,

moraju proširiti svoje putanje

kako bi pokrili veće područje.

Mislim da koriste interakciju kako bi procijenili gustoću,

pa kad je zaista gužva

susreću se češće,

i traže mnogo temeljitije.

Razne vrste moraju koristiti različite algoritme,

jer su evoluirali kako bi se nosili sa

sakupljanjem različitih resursa,

i moglo bi biti vrlo korisno znati ovo,

pa smo nedavno pitali mrave

da riješe problem kolektivnog pretraživanja

u ekstremnim uvijetima

mikrogravitacije

u Međunarodnoj Svemirskoj Stanici.

Kad sam prvi put vidjela ovu sliku, pomislila sam,

o ne, postavili su stanište vertikalno,

a tada sam shvatila da to, naravno, nije ni bitno.

Dakle, ovdje je zamisao da mravi

rade tako naporno da se drže

uz zid ili pod ili kakogod ćete to nazvati

pa je manja vjerojatnost za interakciju,

pa je veza između

koliko su skučeni i koliko se često susreću

pobrkana.

Još uvijek proučavamo podatke.

Nemam još rezultate.

Ali bilo bi zanimljivo saznati

kako ostale vrste rješavaju ovaj problem

u različitim uvjetima na Zemlji,

stoga postavljamo program

kako bismo potaknuli djecu širom svijeta

da isprobaju ovaj eksperiment s različitim vrstama.

Vrlo je jednostavan.

Vrlo je jeftin.

Na taj način mogli bismo napraviti globalnu kartu

algoritama koji koriste mravi za kolektivno pretraživanje.

Držim da je vrlo vjerojatno da će invazivne vrste,

one koje dolaze u naše zgrade,

biti vrlo uspješne u ovome,

jer su oni u vašoj kuhinji

stoga što su vrsni
u pronalasku hrane i vode.

Resurs s kojim su mravi najbolje upoznati

jest piknik,

i to je grupirani resurs.

Gdje postoji jedan komad voća,

velike su šanse da će postojati i drugi komad blizu,

i mravi koji su specijalizirani za grupirane resurse

koriste interakciju za regrutaciju.

Kad jedan mrav sretne drugoga,

ili kad naiđe na kemikaliju na tlu

koju je nanio drugi mrav,

mijenja smjer kako bi pratio

smjer interakcije,

i tako se dobiva trag mravi

koji dijele hranu s vašeg izleta.

Mislim da je ovo mjesto gdje bismo mogli

naučiti nešto od mravi u vezi s rakom.

Mislim, očigledno je da bismo mogli učiniti mnogo

da spriječimo rak

ne dopuštajući ljudima da šire uokolo

ili prodaju toksine koji promiču

evoluciju raka u našim tijelima,

ali ne vjerujem da nam tu mravi mogu puno pomoći

jer mravi nikad ne truju svoju vlastitu koloniju.

Ali mogli bismo naučiti nešto od mrava

u vezi liječenja raka.

Postoji mnogo vrsta raka.

Svaki potječe iz posebnog dijela našeg tijela,

pa će se neki dijelovi raka raširiti

ili metastazirati na određeno drugo tkivo

gdje će moći skupiti
resurse koji su im potrebni.

Stoga ako razmislite iz perspektive

stanice raka u ranoj fazi metastaze

dok uokolo tragaju

za resursima koji su im potrebni,

ako su ti resursi grupirani,

vjerojatnije je da će koristiti interakcije za regrutaciju,

i ako uspijemo shvatiti kako
se ćelije raka regrutiraju,

možda bismo im mogli postaviti zamke

kako bismo ih ulovili prije nego se smjeste.

Mravi koriste interakciju na različite načine

u ogromnoj raznolikosti okoliša,

a mi bismo mogli učiti iz toga

o ostalim sustavima koji rade

bez središnje kontrole.

Koristeći se jednostavnim interakcijama,

kolonije mrava izvode

zapanjujuće podvige već više od 130 milijuna godina.

Možemo mnogo naučiti od njih.

Hvala.

(Pljesak)